（机械电子工程专业论文）剑杆织机送经卷取计算机控制系统研究.pdf

西北工业大学硕士学位论文摘 要 剑杆织机在我国纺织行业中占 有举足轻重的作用， 其研发工作具有重要的经济和社会效益。 送经和卷取是剑杆织机的重要组成部分， 本文以经纱张力和织物纬密的精密控制为研究对象，在参考国内外先进织机的基础上设计了电子送经、卷取计算机控制系统， 包括控制系统硬件电路设计、 与上位机通讯设计和经纱张力及纬密控制算法研究。 本文在前人的基础上设计和完善了电子送经、 卷取计算机控制系统， 系统采用了高性能的3 2 位单片机m c 6 8 3 3 1 作为控制核心。针对机械式卷取弊端， 送经和卷取采用了电子送经和电子卷取， 利用计算机进行控制; 采用同一个控制模块分别控制两机构。 具体包括经纱张力采集子系统设计， 涉及信号调理电路和接口电路设计以及采集接日软件实现: 伺服开关信号的采集与输出子系统设计; 张力控制信号输出子系统设计和软件实现; 本文对编码器信号的采集和处理也做出了较为详细的阐述。 此外，根据控制器与上位机通讯时数据量大、实时性强的特点，采用了 双端口 r a m设计了并行通讯系统，确保了与上位机数据交换的畅通。最后， 针对张力产生的特点， 考虑影响张力的可能因素， 在借鉴国内外织机张力和纬密控制经验的基础上， 摒弃了传统的控制方法， 提出了 对张力进行模糊控制的思想， 并且在参考厂家工艺人员经验的基础上， 提出了模糊控制规则， 设计了模糊控制器。 对于纬密控制， 采用了查询表加偏差修正的思想; 既有机械卷取的简单，又克服了机械卷取无法消除的弊端。关键词: 剑杆织机， m c 6 8 3 3 1 ，电 子送经 / 卷取， 经纱张力， 模糊控 制西北工业大学硕十学位论文abs t ract i n t h e fi e l d o f t e x t i l e i n d u s t ry i n c h in a , t h e r a p i e r l o o m i s v e r y i m p o rt a n t ; a n d t h ew o r k o f r e s e a r c h i n g h a s a l a r g e o f e c o n o m i c a l a n d s o c i al b e n e f i t s . l e t - o f f a n d t a k e - u pa r e v e r y i m p o r t a n t c o m p o s i ti o n o f t h e l o o m . wi t h a v i e w t o t h e c o n t r o l o f w r a pt e n s i o n a n d t h e w o o f a m o u n t , t h e m a n i p u l a t i v e s y s t e m h a s b e e n d e s i g n e d b a s e d o na d v a n c e d l o o m s i n t h e w o r l d . t h e e l e c t r o e i r c u i t a n d c o m m u n i c a t i o n s y s t e m w i t h h o s tc o m p u t e r a s w e l l a s m a n i p u l a t i v e s t r a t e g y o f w r a p t e n s i o n a n d t h e a m o u n o f w o o fh a v e b e e n d e s i g n e d i n t h e s y s t e m . t h e s y s t e m c o n t r o l e d b y mc 6 8 3 3 1 h a s b e e n d e s i g n e d b a s e d o n e x p e r i e n c e o f t h ef o r m e r . a i m i n g a t t h e s h o rt c o m i n g o f m e c h a n i c a l t a k e - u p , w e d e s i g n e d t h e s y s t e mc o n t r o l e d b y c o m p u t e r w i t h e l e c t r o n i c l e t - o ff a n d e l e c t r o n i c t a k e - u p r a t h e r t h a nm e c h a n i c al t a k e - u p a n d g a t h e r e d t w o k i n d s o f f u n c t i o n in o n e c o n t r o l l e r .i n t h i sp a p e r , t h e s y s t e m o f t e n s i o n c o l l e c t i o n h a s b e e n d e s i g n e d ，i n c l u d e i n g s i g n a lp r o c e s s i n g a n d s o ft w a r e o f i n t e r f a c e e l e c t r o c i r c u i t ; t h e g a t h e r i n g a n d o u t p u t s y s t e m o fd i g i t a l s i g n a l s .o n t h e o t h e r h a n d , t h e c o l le c t io n a n d p r o c e s s i o n a n o f c o d e r s i g n a l a r ei n t r o d u c e d i n d e t a i l i n t h i s p a p e r . a s y s t e m o f c o m m u n i c a t i o n w i t h h o s t c o m p u t e r , b yb i d i r e c t i o n a l r a m, h as b e e n d e s i g n e d , a c c o r d in g t o t h e n e e d o f c o m m u n ic a t i o n ,e n s u r e i n g c o m m u n i c a t e a c c u r a t e l y e a c h o t h e r . a t l a s t , t h e s t r a t e g y o f c o n t r o l e i n g w a r pt e n s i o n h as b e e n i n t r o d u c e d w h i c h i s c a l l e d f u z z y . t h e c o n t r o l l e r h a s b e e n d e s ig n e db a s e d o n e x p e r ie n c e o f c o n t r o l in g w r a p t e n s i o n i n t h e w o r l d , a n d t h e r u l e s c a m e f r o mt h e e x p e r i e n c e o f s k i l l e d w o r k e r s fr o m l o o m f a c t o r i e s . t h e w a y o f c o n t r o l i n g t h ew o o f a m o u n t a l s o h a s b e e n d e s i g n e d b y c o n s u l t i n g b o t h w i n d a g e a n d t h e r e f e r e n c ef r o m r o g a t o r y t a b l e w h i c h h a d b e e n e s t a b l i s h e d in a d v a n c e , e n j o y i n g s i m p l e n e s sme r i t s o f me c h a n i s m wi t h o u t i t s d e f e c t s . k e y wo r d s : r a p i e r l o o m， m c 6 8 3 3 1 ，e le c t r o n i c l e t - o ff/ e le c t r o n i ct a k e - u p , w a r p t e n s i o n , f u z z y西北工业大学硕士学位论文第一章绪 论 剑杆织机是一种无梭织机，在纺织机械中占有重要的地位。同时， 剑杆织机也是一项复杂的机电一体化产品，技术含量高，涉及机械、电气、计算机、自 动控制以及相关学科知识。 剑杆织机计算机控制系统是一个集散控制系统， 众多的控制对象经过分解由专门的计算机给予控制， 然后各个子系统协调工作， 确保织机正常运行。 控制系统包括选色控制、 选纬控制、 送经控制、 卷取控制以 及人机信息交换控制等子系统。 控制系统性能关系到织机根本质量， 因此剑杆织机计算机控制系统的研发工作是我国纺织机械行业的一项重要课题， 对于提高我国纺织行业生产力和纺织机械产品 在国际市场的竞争力， 意义十分重大。1 . 1剑杆织机及其发展趋势 剑杆织机是织机发展到一定阶段的产物， 伴随着其他相关技术的进步， 剑杆织机也在不断向前发展， 其发展的 趋势是结构更趋合理、 技术更加先进， 智能化和人性化程度不断提高。1 . 1 1剑杆织机简介 织机是一种将经纱和纬纱绞织成织物的设备， 根据牵引纬纱进入织口的 方式可分为有梭织机和无梭织机。 剑杆织机是一种无梭织机， 它通过两只剑杆将纬纱引入织口 与经纱绞织， 然后采用钢箱将纬纱打紧进行工作织布的。 世界上第一台剑杆织机诞生于 1 9 3 1 年， 西班牙巴尔培公司推出世界上第一台剑杆织机0 。由于剑杆织机结构简单、 控制方便、 生产效率高， 所以 剑杆织机得以 迅猛发展。 经过近八十年的发展， 剑杆织机目 前已 经成为适应较强， 使用最广泛的一种织机，在纺织行业中占有举足轻重的作用。 在我国， 近二十年来， 剑杆织机也发展迅猛，很多纺织机械厂都在研发新型的剑杆织机， 并且陆续推出了自己的产品， 比如西安航空发动机公司研制成功的g a 7 3 1 - 2 1 0 新型剑杆织机， 具有体积小、 结构合理、效率高、维护方便等特点。西北工业大学硕士学位论文1 . 1 . 2剑杆织机国际发展趋势 剑杆织机是集机械技术、 电气技术、 计算机技术和控制理论于一体的机电一体化产品。 最近几年来电 气技术、 计算机技术和控制理论的迅猛发展与完善推动了剑杆织机进一步发展。在可以遇见的未来，剑杆织机发展的趋势是向“ 四高” ( 高速度、 高产量、高质量、高可靠性) 2 1 方向 发展，同时随着计算机控制技术和人工智能的发展， 未来剑杆织机自 动化水平将进一步发展， 并且人性化和智能化也将进一步提高。主要表现在以下几个方面: ( 1 )计算机技术进一步应用。剑杆织机本身是一个复杂的控制系统，剑杆织机的发展离不开控制理论和计算机技术的发展， 计算机应用于织机控制推动了它的革命性发展。 计算机技术的进一步应用是织机发展的一个重要趋势， 也是织机发展的原动力。 ( 2 )送经、卷取系统的改进。采用电子送经和电子卷取是必然趋势而且两者驱动系统将采用两套独立传动源， 减少相互间干扰， 这样织物经纱张力控制更加精密。 采用电子送经后， 张力检测更加准确、 控制更加精密; 采用电子卷取后，纬密设置更加方便，可更改范围扩大。 ( 3 )电 子选纬系统的改进。 现在， 市面上剑杆织机选纬机构主要采用电 磁铁驱动装置， 应该向电子选纬方向发展; 或者采用步进电机驱动选色指， 如德国多尼尔公司的h t v s 8 / s型箭杆织机;或者采用直线电 机驱动选色指，如舒美特公司的天马超优秀型剑杆织机3 1 ( 4 ) 人机信息交换系统的 发展。 人机信息交换系统是现场工作人员向 织机发出 控制命令， 修改织布工艺参数; 同时织机向工作人员反馈织机运行状态的设备。 随着液晶显示技术的进一步成熟， 可采用大屏幕加触摸软键盘模式， 并可以以图形的形式动态地反馈织机运行状态，使得人机信息交换更加简单和人性化。1 . 1 3剑杆织机国内发展状况 目 前， 我国剑杆织机研发工作还处于比 较低下的水平: 计算机在织机中的运用还不够普及; 卷取系统还有很多采用传统的机械式卷取; 选纬机构多用电磁铁驱动，选纬指数量较少，导致花色较少;人机信息交互系统粗糙，不够人性化。西北工业大学硕士学位论文1 . 1 . 2剑杆织机国际发展趋势 剑杆织机是集机械技术、 电气技术、 计算机技术和控制理论于一体的机电一体化产品。 最近几年来电 气技术、 计算机技术和控制理论的迅猛发展与完善推动了剑杆织机进一步发展。在可以遇见的未来，剑杆织机发展的趋势是向“ 四高” ( 高速度、 高产量、高质量、高可靠性) 2 1 方向 发展，同时随着计算机控制技术和人工智能的发展， 未来剑杆织机自 动化水平将进一步发展， 并且人性化和智能化也将进一步提高。主要表现在以下几个方面: ( 1 )计算机技术进一步应用。剑杆织机本身是一个复杂的控制系统，剑杆织机的发展离不开控制理论和计算机技术的发展， 计算机应用于织机控制推动了它的革命性发展。 计算机技术的进一步应用是织机发展的一个重要趋势， 也是织机发展的原动力。 ( 2 )送经、卷取系统的改进。采用电子送经和电子卷取是必然趋势而且两者驱动系统将采用两套独立传动源， 减少相互间干扰， 这样织物经纱张力控制更加精密。 采用电子送经后， 张力检测更加准确、 控制更加精密; 采用电子卷取后，纬密设置更加方便，可更改范围扩大。 ( 3 )电 子选纬系统的改进。 现在， 市面上剑杆织机选纬机构主要采用电 磁铁驱动装置， 应该向电子选纬方向发展; 或者采用步进电机驱动选色指， 如德国多尼尔公司的h t v s 8 / s型箭杆织机;或者采用直线电 机驱动选色指，如舒美特公司的天马超优秀型剑杆织机3 1 ( 4 ) 人机信息交换系统的 发展。 人机信息交换系统是现场工作人员向 织机发出 控制命令， 修改织布工艺参数; 同时织机向工作人员反馈织机运行状态的设备。 随着液晶显示技术的进一步成熟， 可采用大屏幕加触摸软键盘模式， 并可以以图形的形式动态地反馈织机运行状态，使得人机信息交换更加简单和人性化。1 . 1 3剑杆织机国内发展状况 目 前， 我国剑杆织机研发工作还处于比 较低下的水平: 计算机在织机中的运用还不够普及; 卷取系统还有很多采用传统的机械式卷取; 选纬机构多用电磁铁驱动，选纬指数量较少，导致花色较少;人机信息交互系统粗糙，不够人性化。西北工业大学硕十学位论文特别是送经部分， 较多的采用低档次的微处理器， 张力控制不够精密; 对于纬密控制，由于多采用机械式卷取， 纬密更改极不方便，同时可更改范围有限。 剑杆织机的国际发展趋势，也是我国纺织机械努力的方向和发展目 标。1 .2剑杆织机电子送经、卷取控制器发展趋势 电子送经、 卷取是织机的主要部分， 经纱张力和织物纬密控制精密程度关系到织机根本性能， 是评定织机质量的最重要技术指标。 电子送经、 卷取发展趋势是驱动机构相对独立，控制系统尽可能采用电子化、计算机化。1 . 2 . 1电子送经发展趋势 织机送经系统主要功能是指经轴在送经电机驱动下向织口输送合适张力的经纱。电子送经系统由 经纱张力检测子系统、 控制器和驱动机构组成。电子送经技术的发展趋势体现在张力检测系统、控制系统和驱动系统的发展4 5 ( 1 ) 经纱张力感测装置的发展趋势。张力检测是织机进行张力控制必不可少的环节， 张力检测的方法有两种: 接近开关式和张力传感器式。 采用接近开关式需要人工调节弹簧张力及传感器位置， 误差大; 而采用张力传感器感测式可以通过键盘设定张力大小， 可以消除人为因素带来的误差。 因此， 张力传感器将逐步取代接近开关式。 ( 2 )控制系统的发展趋势。 早期的控制系统有模拟电路、 模拟和数字混合电 路以及数字电路三种模式。 模拟电路速度快， 但是精度低; 数字电路精度高逻辑判断功能强。 但是要实现复杂控制规律显然数字电路无能为力。 于是出现了p l c控制， 但是控制精度不高; 接着就出现了工控机， 工控机功能强大， 控制效果好，缺点是体积较大而且价格昂贵， 不适于集散控制系统。 随着单片机技术发展， 功能日 益强大。目 前，国内很多送经系统采用了8 位单片机，少数采用了1 6 位和3 2位单片机。 随着单片机的发展， 采用3 2 位单片机进行电子送经控制将是必然趋势。 ( 3 )织轴驱动系统的发展趋势。织轴驱动机构可以采用电磁离合器式、直流电机伺服式、 交流电机伺服式以及变频电机调速。 步进电机驱动方便， 特别适于单片机控制， 无误差积累， 所以 应用较广; 随着变频调速技术的成熟， 交流伺服电机也日益在织机驱动系统中崭露头角; 直流电机调速方便， 但是由于采用电 3西北工业大学硕十学位论文特别是送经部分， 较多的采用低档次的微处理器， 张力控制不够精密; 对于纬密控制，由于多采用机械式卷取， 纬密更改极不方便，同时可更改范围有限。 剑杆织机的国际发展趋势，也是我国纺织机械努力的方向和发展目 标。1 .2剑杆织机电子送经、卷取控制器发展趋势 电子送经、 卷取是织机的主要部分， 经纱张力和织物纬密控制精密程度关系到织机根本性能， 是评定织机质量的最重要技术指标。 电子送经、 卷取发展趋势是驱动机构相对独立，控制系统尽可能采用电子化、计算机化。1 . 2 . 1电子送经发展趋势 织机送经系统主要功能是指经轴在送经电机驱动下向织口输送合适张力的经纱。电子送经系统由 经纱张力检测子系统、 控制器和驱动机构组成。电子送经技术的发展趋势体现在张力检测系统、控制系统和驱动系统的发展4 5 ( 1 ) 经纱张力感测装置的发展趋势。张力检测是织机进行张力控制必不可少的环节， 张力检测的方法有两种: 接近开关式和张力传感器式。 采用接近开关式需要人工调节弹簧张力及传感器位置， 误差大; 而采用张力传感器感测式可以通过键盘设定张力大小， 可以消除人为因素带来的误差。 因此， 张力传感器将逐步取代接近开关式。 ( 2 )控制系统的发展趋势。 早期的控制系统有模拟电路、 模拟和数字混合电 路以及数字电路三种模式。 模拟电路速度快， 但是精度低; 数字电路精度高逻辑判断功能强。 但是要实现复杂控制规律显然数字电路无能为力。 于是出现了p l c控制， 但是控制精度不高; 接着就出现了工控机， 工控机功能强大， 控制效果好，缺点是体积较大而且价格昂贵， 不适于集散控制系统。 随着单片机技术发展， 功能日 益强大。目 前，国内很多送经系统采用了8 位单片机，少数采用了1 6 位和3 2位单片机。 随着单片机的发展， 采用3 2 位单片机进行电子送经控制将是必然趋势。 ( 3 )织轴驱动系统的发展趋势。织轴驱动机构可以采用电磁离合器式、直流电机伺服式、 交流电机伺服式以及变频电机调速。 步进电机驱动方便， 特别适于单片机控制， 无误差积累， 所以 应用较广; 随着变频调速技术的成熟， 交流伺服电机也日益在织机驱动系统中崭露头角; 直流电机调速方便， 但是由于采用电 3西北工业大学硕十学位论文特别是送经部分， 较多的采用低档次的微处理器， 张力控制不够精密; 对于纬密控制，由于多采用机械式卷取， 纬密更改极不方便，同时可更改范围有限。 剑杆织机的国际发展趋势，也是我国纺织机械努力的方向和发展目 标。1 .2剑杆织机电子送经、卷取控制器发展趋势 电子送经、 卷取是织机的主要部分， 经纱张力和织物纬密控制精密程度关系到织机根本性能， 是评定织机质量的最重要技术指标。 电子送经、 卷取发展趋势是驱动机构相对独立，控制系统尽可能采用电子化、计算机化。1 . 2 . 1电子送经发展趋势 织机送经系统主要功能是指经轴在送经电机驱动下向织口输送合适张力的经纱。电子送经系统由 经纱张力检测子系统、 控制器和驱动机构组成。电子送经技术的发展趋势体现在张力检测系统、控制系统和驱动系统的发展4 5 ( 1 ) 经纱张力感测装置的发展趋势。张力检测是织机进行张力控制必不可少的环节， 张力检测的方法有两种: 接近开关式和张力传感器式。 采用接近开关式需要人工调节弹簧张力及传感器位置， 误差大; 而采用张力传感器感测式可以通过键盘设定张力大小， 可以消除人为因素带来的误差。 因此， 张力传感器将逐步取代接近开关式。 ( 2 )控制系统的发展趋势。 早期的控制系统有模拟电路、 模拟和数字混合电 路以及数字电路三种模式。 模拟电路速度快， 但是精度低; 数字电路精度高逻辑判断功能强。 但是要实现复杂控制规律显然数字电路无能为力。 于是出现了p l c控制， 但是控制精度不高; 接着就出现了工控机， 工控机功能强大， 控制效果好，缺点是体积较大而且价格昂贵， 不适于集散控制系统。 随着单片机技术发展， 功能日 益强大。目 前，国内很多送经系统采用了8 位单片机，少数采用了1 6 位和3 2位单片机。 随着单片机的发展， 采用3 2 位单片机进行电子送经控制将是必然趋势。 ( 3 )织轴驱动系统的发展趋势。织轴驱动机构可以采用电磁离合器式、直流电机伺服式、 交流电机伺服式以及变频电机调速。 步进电机驱动方便， 特别适于单片机控制， 无误差积累， 所以 应用较广; 随着变频调速技术的成熟， 交流伺服电机也日益在织机驱动系统中崭露头角; 直流电机调速方便， 但是由于采用电 3西北工业大学硕士学位论文刷换向导致电 刷易磨损， 所以 将被无刷直流电 机所取代。 目 前驱动系统发展趋势是步进电机到交流伺服系统，最后又向无刷直流伺服电机系统方向发展。1 .2 .2电子卷取发展趋势 卷取机构的功能是将织好的织物从织口处卷走， 并且与送经装置一道保持经纱张力于要求值附近， 实现设定的纬密。 传统织机大多采用机械卷取: 卷布辊经过传动机构由主轴驱动以实现稳定卷取。 这样， 卷取装置的功能就局限于稳定地连续引出织物。s o年代中期开始，随着织机装置电子化的发展，出现了电子卷取装置。与传统机械卷取装置相比，电子卷取装置具有两个明显特点: ( 1 )织物纬密变化实现了自 动设定。 变换织物纬密无需更换纬密齿轮，只需通过人机信息交换系统的键盘直接设置所需的纬密，而且纬密变化范围大。 c z ) 织造过程中， 纬密可任意调整、 随时变化， 这是电子卷取装置最明显、最重要的特点。 电子卷取驱动系统发展趋势同送经驱动系统一样由步进电机驱动向交流变频式最后向直流无刷电机驱动方向发展。1 .3 课题来源及意义1 .3 . 1 课题来源 本课题来源于西北工业大学与西安航空发动机公司的横向 课题， 与纺织机械厂在借鉴国内 外先进织机技术的基础上共同研发新型剑杆织机，代号为j z 2 。新改进的 剑杆织机采用了 集散控制结构， 一共采用了四片微处理器分别控制电 子多臂、电子选纬、人机信息交互系统、电子送经、卷取控制系统和主控系统。改进后的剑杆织机， 采用液晶 屏代替传统的数码显示，内容丰富， 视觉性强; 各模块分别控制，降低了相互之间的干扰，提高了系统的可靠性。笔者负责电子送经、卷取控制系统的研发， 采用的方案是: 抛弃传统的机械卷取机构， 取而代之的是电子卷取系统; 电 子送经系统采用了张力传感器感测系统; 控制器采用了高性能、实时性好的3 2 位单片机; 织轴驱动采用了流行的无刷直流机， 调速性能好; 同时，主轴位置检测采用了 分辩度高的编码器代替了 接近开关，位置检测更为细致。西北工业大学硕士学位论文刷换向导致电 刷易磨损， 所以 将被无刷直流电 机所取代。 目 前驱动系统发展趋势是步进电机到交流伺服系统，最后又向无刷直流伺服电机系统方向发展。1 .2 .2电子卷取发展趋势 卷取机构的功能是将织好的织物从织口处卷走， 并且与送经装置一道保持经纱张力于要求值附近， 实现设定的纬密。 传统织机大多采用机械卷取: 卷布辊经过传动机构由主轴驱动以实现稳定卷取。 这样， 卷取装置的功能就局限于稳定地连续引出织物。s o年代中期开始，随着织机装置电子化的发展，出现了电子卷取装置。与传统机械卷取装置相比，电子卷取装置具有两个明显特点: ( 1 )织物纬密变化实现了自 动设定。 变换织物纬密无需更换纬密齿轮，只需通过人机信息交换系统的键盘直接设置所需的纬密，而且纬密变化范围大。 c z ) 织造过程中， 纬密可任意调整、 随时变化， 这是电子卷取装置最明显、最重要的特点。 电子卷取驱动系统发展趋势同送经驱动系统一样由步进电机驱动向交流变频式最后向直流无刷电机驱动方向发展。1 .3 课题来源及意义1 .3 . 1 课题来源 本课题来源于西北工业大学与西安航空发动机公司的横向 课题， 与纺织机械厂在借鉴国内 外先进织机技术的基础上共同研发新型剑杆织机，代号为j z 2 。新改进的 剑杆织机采用了 集散控制结构， 一共采用了四片微处理器分别控制电 子多臂、电子选纬、人机信息交互系统、电子送经、卷取控制系统和主控系统。改进后的剑杆织机， 采用液晶 屏代替传统的数码显示，内容丰富， 视觉性强; 各模块分别控制，降低了相互之间的干扰，提高了系统的可靠性。笔者负责电子送经、卷取控制系统的研发， 采用的方案是: 抛弃传统的机械卷取机构， 取而代之的是电子卷取系统; 电 子送经系统采用了张力传感器感测系统; 控制器采用了高性能、实时性好的3 2 位单片机; 织轴驱动采用了流行的无刷直流机， 调速性能好; 同时，主轴位置检测采用了 分辩度高的编码器代替了 接近开关，位置检测更为细致。西北工业大学硕士学位论文1 .3 .2课题意义 剑杆织机在我国纺织行业中广泛使用， 在纺织生产中占有重要地位， 因此它的研发工作具有重要的社会和经济效益。 但是， 我国 剑杆织机研究工作起步较晚，国内纺织机械产品技术含量不高， 多为中低档产品， 国内高档剑杆织机市场为国外织机所占据。电子送经控制系统主要采用的是p l c 控制、工控机控制或者低位单片机控制， 要么控制性能达不到要求， 要么生产成本高， 无法推广; 对于卷取机构， 研发工作更是滞后。目 前，国内有很多织机厂家或者独立、 或者与其他机构合作研发高水平的剑杆织机， 但从目 前来看还不尽人意。 作为剑杆织机的重要组成部分， 剑杆织机电 子送经、 卷取控制系统的 研发工作对于提高我国 剑杆织机的进一步发展具有重要意义。1 . 4剑杆织机徽机控制系统结构 剑杆织机是一个复杂的 系统， 涉及电子多臂， 电 子选纬、电 子送经、电 子卷取以 及人机信息交互系统。 众多的控制对象需要分别进行控制， 故该剑杆织机采用集散控制结构。 控制系统结构框图1 . 1 所示。一夔亘 li m va # l电子提花送经呵汀 瑶 敢 而 爵11# 卿一 二 u l f-;k 目 叫 ! 1 / 0 2 接 口 板 了飞盯丫 一工 / 0 3 接口板子送经、卷取控制系统m c u 主控系统转换信号调赓fi ji 4 19司票 画 叮 dst圣一巨 e 76 门 图1 . 1 剑杆织机系统结构框图 剑杆织机控制系统采用四片微处理器进行分散控制。 其中， 两片微处理器组成主控系统， 全面协调织机各个子系统运行: 负责与人机信息交互系统进行通信，将经纱张力设定值、 纬密等参数送给送经控制系统， 同时将电子送经系统检测到西北工业大学硕士学位论文1 .3 .2课题意义 剑杆织机在我国纺织行业中广泛使用， 在纺织生产中占有重要地位， 因此它的研发工作具有重要的社会和经济效益。 但是， 我国 剑杆织机研究工作起步较晚，国内纺织机械产品技术含量不高， 多为中低档产品， 国内高档剑杆织机市场为国外织机所占据。电子送经控制系统主要采用的是p l c 控制、工控机控制或者低位单片机控制， 要么控制性能达不到要求， 要么生产成本高， 无法推广; 对于卷取机构， 研发工作更是滞后。目 前，国内有很多织机厂家或者独立、 或者与其他机构合作研发高水平的剑杆织机， 但从目 前来看还不尽人意。 作为剑杆织机的重要组成部分， 剑杆织机电 子送经、 卷取控制系统的 研发工作对于提高我国 剑杆织机的进一步发展具有重要意义。1 . 4剑杆织机徽机控制系统结构 剑杆织机是一个复杂的 系统， 涉及电子多臂， 电 子选纬、电 子送经、电 子卷取以 及人机信息交互系统。 众多的控制对象需要分别进行控制， 故该剑杆织机采用集散控制结构。 控制系统结构框图1 . 1 所示。一夔亘 li m va # l电子提花送经呵汀 瑶 敢 而 爵11# 卿一 二 u l f-;k 目 叫 ! 1 / 0 2 接 口 板 了飞盯丫 一工 / 0 3 接口板子送经、卷取控制系统m c u 主控系统转换信号调赓fi ji 4 19司票 画 叮 dst圣一巨 e 76 门 图1 . 1 剑杆织机系统结构框图 剑杆织机控制系统采用四片微处理器进行分散控制。 其中， 两片微处理器组成主控系统， 全面协调织机各个子系统运行: 负责与人机信息交互系统进行通信，将经纱张力设定值、 纬密等参数送给送经控制系统， 同时将电子送经系统检测到西北工业大学硕士学位论文的张力、 转速等参数反馈给液晶屏显示。电子送经、 卷取控制系统根据设定的经纱张力值， 对经纱张力实现精密控制;同时根据设定的纬密， 控制卷取电机于某j值定转速稳定运行。 人机信息交换控制系统主要负责人机信息交换， 比如织机工艺参数设置、数据统计、生产管理等。1 .5论文主要研究内容及结构安排 新型剑杆织机的计算机控制系统研发是一项复杂的、 系统的工作， 笔者承担的项目是其中一个子项目: 在前人的基础上完善电子送经、 卷取控制系统的硬件电路设计和研发、 制作和调试硬件电路板、 编写和调试接口 程序、 提出和研发经纱张力和纬密控制算法、拟编写相关应用程序。 在本论文中，结构如下安排: ( 1 ) 第二章:电 子送经、 卷取控制系统软硬件设计。 本节内 容主要涉及控制系统微处理选择及配置、控制方案的确立、经纱张力采集子系统软硬件设计、旋转编码器信号采集系统软硬件设计、 送经伺服系统状态监测、 张力控制输出系统软硬件设计等; ( 2 )第三章:送经、卷取控制系统与上位机通讯软硬件设计。就硬件位置而言， 送经系统与上位机通讯应包含于送经、 卷取控制系统中， 但是鉴于它与上位机通讯的重要性和与张力控制的相对独立性， 所以单独列为一章。内容主要涉及通讯硬件电路设计和通讯软件流程图实现;最后在整个硬件电路完毕的基础上，根据实际需求分配了系统地址和完成了系统初始化; ( 3 ) 第四 章:经纱张力、纬密控制算法研究， 在本节 提出了张力实施模糊控制的思想， 具体包括采取算法的原因、 模糊控制算法控制规则的提出、 模糊控制表的建立、以及控制算法软件实现等工作; ( 4 )第五章:电 路制版与调试，本节记录硬件电路制板技术细节和静、动态调试结果。西北工业大学硕士学位论文的张力、 转速等参数反馈给液晶屏显示。电子送经、 卷取控制系统根据设定的经纱张力值， 对经纱张力实现精密控制;同时根据设定的纬密， 控制卷取电机于某j值定转速稳定运行。 人机信息交换控制系统主要负责人机信息交换， 比如织机工艺参数设置、数据统计、生产管理等。1 .5论文主要研究内容及结构安排 新型剑杆织机的计算机控制系统研发是一项复杂的、 系统的工作， 笔者承担的项目是其中一个子项目: 在前人的基础上完善电子送经、 卷取控制系统的硬件电路设计和研发、 制作和调试硬件电路板、 编写和调试接口 程序、 提出和研发经纱张力和纬密控制算法、拟编写相关应用程序。 在本论文中，结构如下安排: ( 1 ) 第二章:电 子送经、 卷取控制系统软硬件设计。 本节内 容主要涉及控制系统微处理选择及配置、控制方案的确立、经纱张力采集子系统软硬件设计、旋转编码器信号采集系统软硬件设计、 送经伺服系统状态监测、 张力控制输出系统软硬件设计等; ( 2 )第三章:送经、卷取控制系统与上位机通讯软硬件设计。就硬件位置而言， 送经系统与上位机通讯应包含于送经、 卷取控制系统中， 但是鉴于它与上位机通讯的重要性和与张力控制的相对独立性， 所以单独列为一章。内容主要涉及通讯硬件电路设计和通讯软件流程图实现;最后在整个硬件电路完毕的基础上，根据实际需求分配了系统地址和完成了系统初始化; ( 3 ) 第四 章:经纱张力、纬密控制算法研究， 在本节 提出了张力实施模糊控制的思想， 具体包括采取算法的原因、 模糊控制算法控制规则的提出、 模糊控制表的建立、以及控制算法软件实现等工作; ( 4 )第五章:电 路制版与调试，本节记录硬件电路制板技术细节和静、动态调试结果。西北工业大学硕士学位论文第二章 电 子送经、卷取控制系统软硬件设计 电子送经、卷取控制系统是剑杆织机计算机控制系统的重要组成部分。该系统完成的主要功能是根据上位机设定的经纱张力值， 实时监控经纱张力并且按照一定的控制控制算法确保经纱张力动态恒定， 同时根据设定纬密调整卷取电机转速。 本章按照控制张力和纬密动态恒定的目 标， 构建张力控制系统， 在前人的基础上完善电子送经、卷取控制系统硬件电路研发设计，编制接口程序。( 为了强调整体性，本文把功能相对独立的部分称为系统)2 . 1 电 子送经、卷取控制结构构建 准确掌握被控对象的物理结构和工艺流程是实施控制的前提条件， 然后根据控制需要提出控制方案，构建控制结构。2 . 1 . 1 织机送经、 卷取系统结构简介 剑杆织机送经、 卷取机构构成织机的动态系统， 是织机的重要组成部分。 送经机构主要包括经轴、 送经驱动电机、 控制器。 主要功能是: 经轴在送经电 机驱动下向织口区输送张力动态恒定的经纱与纬纱绞织。 卷取机构主要由卷布辊、 卷取电 机和控制器组成。 卷取机构的主要功能是与送经机构协调工作、 将己织好的织物引离织口区、 同时根据设定纬密调整卷取电机转速， 系统结构如图2 . 1 所示。 机1/电一m一取卷布冲肇爸主 轴 电 “ 图2 . 1 织机送经、卷取系统结构图织机在织造过程中， 送经与卷取机构协调工作， 将张力动态恒定的经纱引入西北工业大学硕士学位论文第二章 电 子送经、卷取控制系统软硬件设计 电子送经、卷取控制系统是剑杆织机计算机控制系统的重要组成部分。该系统完成的主要功能是根据上位机设定的经纱张力值， 实时监控经纱张力并且按照一定的控制控制算法确保经纱张力动态恒定， 同时根据设定纬密调整卷取电机转速。 本章按照控制张力和纬密动态恒定的目 标， 构建张力控制系统， 在前人的基础上完善电子送经、卷取控制系统硬件电路研发设计，编制接口程序。( 为了强调整体性，本文把功能相对独立的部分称为系统)2 . 1 电 子送经、卷取控制结构构建 准确掌握被控对象的物理结构和工艺流程是实施控制的前提条件， 然后根据控制需要提出控制方案，构建控制结构。2 . 1 . 1 织机送经、 卷取系统结构简介 剑杆织机送经、 卷取机构构成织机的动态系统， 是织机的重要组成部分。 送经机构主要包括经轴、 送经驱动电机、 控制器。 主要功能是: 经轴在送经电 机驱动下向织口区输送张力动态恒定的经纱与纬纱绞织。 卷取机构主要由卷布辊、 卷取电 机和控制器组成。 卷取机构的主要功能是与送经机构协调工作、 将己织好的织物引离织口区、 同时根据设定纬密调整卷取电机转速， 系统结构如图2 . 1 所示。 机1/电一m一取卷布冲肇爸主 轴 电 “ 图2 . 1 织机送经、卷取系统结构图织机在织造过程中， 送经与卷取机构协调工作， 将张力动态恒定的经纱引入西北工业大学硕士学位论文织口区与纬纱绞织。 随着生产进行， 经轴半径越来越小， 于是就要相应增加送经电 机转速。 在卷取机构， 一旦设定主轴转速和纬密， 卷取电机转速就相应“ 恒定”了， 也即卷布辊始终以不便转速牵引布匹卷裹的。 显然卷筒半径会随着织造进行越来越大， 于是要求卷筒转速会越来越慢。 卷筒是通过摩擦离合器由卷布辊驱动的，通过摩擦离合器自 动调整卷筒转速。2 . 1 . 2 控制结构的设计和构建 评定织机质量高低的一个重要指标是织造过程中经纱张力控制的精密性和织物纬密的恒定与否。 为此需要构建合适的控制系统， 设计良好的控制算法控制送经、卷取机构。要求设计的送经、卷取控制系统要符合下列要求: ( 扮 电子送经系统保证织布时张力动态恒定， 控制精密; ( 2 ) 卷取系统保证能够织造各种纬密的 布，且纬密精确; ( 3 ) 对各种开车进行张力补偿，避免开车痕:有效防止织疵的产生。 ( 4 )要求整个控制系统性能稳定，故障率低，维护方便; 在织机众多质量指标中， 最重要是保持经纱张力和织物纬密动态恒定， 这样，开环控制显然无能为力。 由于控制对象是经纱张力和织物纬密， 所以考虑将经纱张力和卷取电机转速反馈回控制系统构成闭环控制。 为了控制简单易行， 将卷取电机转速 “ 恒定” ，以此为参照去控制送经电机转速，这样就比同时控制两个电机要容易得多。 因此， 于卷取电机而言， 只需要根据主机转速和需求纬密设定转速即可。 由于卷取电 机速度调整实时性不是很强、 消耗系统资源较少， 为了提高产品性价比， 可以将这一控制功能集中到送经控制器中， 构成送经、 卷取控制器。根据控制方案，设计经纱张力、纬密控制框图如图2 .2 所示。张力必赵w i jfw ft卜图2 .2经纱张力、 纬密控制框图西北工业大学硕士学位论文织口区与纬纱绞织。 随着生产进行， 经轴半径越来越小， 于是就要相应增加送经电 机转速。 在卷取机构， 一旦设定主轴转速和纬密， 卷取电机转速就相应“ 恒定”了， 也即卷布辊始终以不便转速牵引布匹卷裹的。 显然卷筒半径会随着织造进行越来越大， 于是要求卷筒转速会越来越慢。 卷筒是通过摩擦离合器由卷布辊驱动的，通过摩擦离合器自 动调整卷筒转速。2 . 1 . 2 控制结构的设计和构建 评定织机质量高低的一个重要指标是织造过程中经纱张力控制的精密性和织物纬密的恒定与否。 为此需要构建合适的控制系统， 设计良好的控制算法控制送经、卷取机构。要求设计的送经、卷取控制系统要符合下列要求: ( 扮 电子送经系统保证织布时张力动态恒定， 控制精密; ( 2 ) 卷取系统保证能够织造各种纬密的 布，且纬密精确; ( 3 ) 对各种开车进行张力补偿，避免开车痕:有效防止织疵的产生。 ( 4 )要求整个控制系统性能稳定，故障率低，维护方便; 在织机众多质量指标中， 最重要是保持经纱张力和织物纬密动态恒定， 这样，开环控制显然无能为力。 由于控制对象是经纱张力和织物纬密， 所以考虑将经纱张力和卷取电机转速反馈回控制系统构成闭环控制。 为了控制简单易行， 将卷取电机转速 “ 恒定” ，以此为参照去控制送经电机转速，这样就比同时控制两个电机要容易得多。 因此， 于卷取电机而言， 只需要根据主机转速和需求纬密设定转速即可。 由于卷取电 机速度调整实时性不是很强、 消耗系统资源较少， 为了提高产品性价比， 可以将这一控制功能集中到送经控制器中， 构成送经、 卷取控制器。根据控制方案，设计经纱张力、纬密控制框图如图2 .2 所示。张力必赵w i jfw ft卜图2 .2经纱张力、 纬密控制框图西北工业大学硕士学位论文 在闭 环控制方案中， 将在后梁上安装一支张力传感器， 通过检测后梁蠕变间接检测敷在上面的经纱张力: 通过旋转编码器检测卷取电机实际转速， 然后将经纱张力和转速信号反馈给控制器构成闭环控制。 这种电子送经、 卷取控制系统与传统的送经、卷取相比较有以下优点: ( 1 ) 采用张力传感器和计算机构成张力采集系统，无论张力的参考设定或者检测都很方便，准确性高，实时性强。 ( 2 ) 纬密控制方便。 卷取控制器根据设定的主机转速和纬密，调整卷取电机转速:这样就抛弃了传统机械卷取改变纬密时必须停车更换齿轮变速的方案， 使得更改纬密更加方便;同时由 于变速齿轮数量限制， 纬密范围有限， 采用电子卷取控制以 后，纬密调整范围扩大， 产品更加丰富。 ( 3 )经纱张力控制结构简单，采用闭环控制使得控制性能良好。 ( 4 ) 将送经和卷取控制功能集中到一起， 这样节省了花在硬件电路上的开销，提高了织机性价比。 根据控制方案将送经、 卷取系统中除了 伺服驱动、 张力传感器和旋转编码器以外的其他部分集中到一起构成送经、 卷取控制系统。 得到电子送经、 卷取系统功能配置，如图2 .3 所示。亚遍o w im 一 1已 _送 。， 1x 47 _ 之 唁_举电子送经、卷取控制系统张 力 传 感 器一i 旋 转 编 码al 图2 .3送经、卷取系统功能配置图 根据系统功能框图，将电子送经、卷取控制系统按照功能分为几个子系统:与上位机并行通讯子系统， 负责完成与上位机的通讯; 经纱张力采集子系统， 负责完成经纱张力的采集， 为实时监控和控制提供依据; 转速检测子系统， 负责检测卷取电 机转速; m c 6 8 3 3 1 微处理器，控制器的核心;伺服状态检测，完成伺服运行状态采集和控制输出子系统。 因为控制器于上位机通讯子系统相对复杂并且与经纱张力和纬密控制相对独立， 所以下一章单独讲述; 其余各个子系统的软硬件设计将依次描述。西北工业大学硕士学位论文2 .2控制器选择及介绍在微机控制系统中， 控制器起着核心作用。 其性能直接决定着控制系统性能优良程度，所以必须采用性能好、功能强大的微处理器担任控制器。2 .2 . 1 控制器的选择 控制器在整个控制系统中处于核心地位，常见的控制器可由下列处理器担当， p l c ( 可编程逻辑控制器) 、 p c机( 个人计算机) 、 工控机、单片 机以 及新兴的d s p( 数字信号处理器) 。其中p l c具有定时、计数、a / d , d / a以及数据处理等功能，但是其数据处理能力有限，因此主要用于开关量控制1 1 o p c机现在己经得到充分发展， 完全有能力满足一般的工业控制需要， 但是由于采用集散控制，每台控制器控制的变量少， 所以采用p c机显然价格太高。 工控机控制性能优良，近年来己经得到广泛运用，但是与单片机和 d s p相比较而言，价格相对昂贵。单片机经过多年发展， 现在己出 现高速、 功能强大、 实时性强、 产品丰富的多系列产品。 现在1 6 位和3 2 位单片机已经广泛使用，单片机作为控制器的优势是，功能较强大、耗电低、体积小、价格低。d s p诞生于上世纪7 0 年代，抛弃了传